Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
CHƯƠNG 3. XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA LÝ
3.1 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG QUÁ TRÌNH KEO TỤ TẠO BÔNG
3.1.1 Giới thiệu chung
Trong nước và nước thải, một phần các hạt tồn tại ở dạng các hạt keo mịn phân
tán, kích thước của hạt thường dao động trong khoảng 0.1 – 10 µm. Các hạt này không
nổi cũng không lắng, do đó tương đối khó tách loại. Thời gian để tách loại các hạt này
bằng cách cho lắng tự nhiên sẽ mất thời gian rất lớn (Bảng 3.1).
Bảng 3.1 Kích thước hạt và thời gian lắng
Kích thước hạt (mm) Loại hạt Thời gian lắng (1 m)
10 Sỏi 1 s
1.0 Cát 10 s
0.1 Cát mịn 2 phút
0.01 Sét 2h
0.001 Vi khuẩn 8 ngày
0.0001 Hạt keo 2 năm
0.00001 Hạt keo 20 năm
Vì kích thước hạt nhỏ, tỷ số diện tích bề mặt và thể tích của chúng rất lớn nên hiện
tượng hóa học bề mặt trở nên rất quan trọng. Theo nguyên tắc, các hạt nhỏ trong nước có
khuynh hướng keo tụ do lực hút Vander Waals giữa các hạt. Lực này có thể dẫn đến sự
dính kết giữa các hạt khi khoảng cách giữa chúng đủ nhỏ nhờ va chạm. Sự va chạm xảy
ra do chuyển động Brown và do tác động của sự xáo trộn. Tuy nhiên, trong trường hợp
phân tán keo, các hạt duy trì trạng thái phân tán nhờ lực đẩy tĩnh điện vì bề mặt các hạt
mang tích điện, có thể là điện tích âm hoặc điện tích dương nhờ sự hấp thụ có chọn lọc
các ion trong dung dịch hoặc sự ion hóa các nhóm hoạt hóa. Trang thái lơ lửng của các
hạt keo được bền hóa nhờ lực đẩy tĩnh điện. Do đó, để phá tính bền của hạt keo cần trung
hòa điện tích bề mặt của chúng, quá trình này được gọi là quá trình keo tụ. Các hạt keo đã
bị trung hòa điện tích có thể lien kết với những hạt keo khác tạo thành bong cặn có kích
thước lớn hơn, nặng hơn và lắng xuống, quá trình này được gọi là quá trình tạo bông.
Quá trình thủy phân các chất keo tụ và tạo thành bong cặn xảy ra theo các giai đoạn sau:
Me
401 – 600 45 – 70
601 – 800 55 – 80
801 – 1000 60 – 90
49
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
1001 – 1400 65 – 105
1401 – 1800 75 – 115
1801 – 2200 80 – 125
2201 – 2500 90 – 130
Nguồn: Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga (2006).
Cơ chế của quá trình keo tụ
Quá trình keo tụ tạo bông thường được thực hiện bởi hai cơ chế sau: điện động
học và kết bông. Điện động học: giảm thế Zeta dẫn đến ưu tiên lực lien kết Vader Waals.
Các chất keo tụ thường dùng
Những chất keo tụ thường dùng nhất là các muối sắt, muối nhôm và hỗn hợp của
chúng như: Al
2
(SO
4
)
3
, Al
2
(SO
4
)
3
.18H
2
O, NaAlO
O, Fe
2
(SO
4
)
3
.3H
2
O, Fe
2
(SO
4
)
3
.7H
2
O… Việc
lựa chọn chất keo tụ phụ thuộc vào các tính chất hóa lý, nồng độ tạp chất, pH, thành phần
muối trong nước và chi phí. Để xác định liều lượng tối ưu của chất keo tụ trong quá trình
xử lý nước thải thí nghiệm Jar – Test được sử dụng.
Muối nhôm
Trong các loại phèn nhôm, Al
2
(SO
4
)
3
được dùng rộng rãi nhất do có tính hòa tan
tốt trong nước, chi phí thấp và hoạt động có hiệu quả trong khoảng pH = 4.5 – 7.0. Quá
trình điện ly và thủy phân Al
+ H
+
Al(OH)
3
+ H
2
O = Al(OH)
4
-
+ H
+
Ngoài ra, Al
2
(SO
4
)
3
có thể tác dụng với Ca(HCO
3
)
2
theo phương trình phản ứng
sau:
Al
2
(SO
4
)
3
+ 3Ca(HCO
tác động lớn nhất
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
6NaAlO
2
+ Al
2
(SO
4
)
3
+ 12H
2
O 8Al(OH)
3
↓ + 2Na
2
SO
4
Việc sử dụng hỗn hợp muối trên cho phép mở rộng khoảng pH tối ưu của môi
trường cũng như tăng hiệu quả quá trình keo tụ tạo bông (nhờ tăng khối lượng và tốc độ
lắng của bông cặn).
Muối sắt
Các muối sắt được sử dụng làm chất keo tụ có nhiều ưu điểm hơn so với các muối
nhôm do:
− Tác dụng tốt hơn ở nhiệt độ thấp;
− Có khoảng giá trị pH tối ưu của môi trường rộng hơn (pH = 4 - 7);
− Độ bền lớn;
− Có thể khử mùi vị khi trong nước thải có H
2
S.
3
↓ + 3CaCl
2
FeSO
4
+ 3Ca(OH)
2
2Fe(OH)
3
↓ + 3CaSO
4
Chất trợ keo tụ
Để tăng hiệu quả quá trình keo tụ tạo bông, người ta thường sử dụng các chất trợ
keo tụ (flocculant). Việc sử dụng chất trợ keo tụ cho phép giảm liều lượng chất keo tụ,
giảm thời gian quá trình keo tụ và tăng tốc độ lắng của các bông keo. Các chất trợ keo tụ
nguồn gốc thiên nhiên thường dùng là tinh bột, dextrin (C
6
H
10
O
5
)
n
, các ete, cellulose,
dioxit silic hoạt tính (xSiO
2
.yH
2
O).
Các chất trợ keo tụ tổng hợp thường dùng là polyacrylamit (CH
2CaCO
3
+ 2H
2
O
MgCO
3
+ Ca(OH)
2
Mg(OH)
2
+ CaCO
3
Nhôm 75 – 250 4,5 – 7,0 Sử dụng để tách keo và P trong nước thải. Nước thải
có độ kiềm thấp và cao, hàm lượng P ổn định.Phương
trình cơ bản
Al
2
(SO
4
)
3
+ 6H
2
O 2Al(OH)
3
+ 3 H
2
SO
làm thay
đổi
Dùng để gia tăng khối lượng trong trường hợp hàm
lượng keo rất lõang.
Nguồn: W. Wesley Eckenfelder, Jr. 2000
3.1.2 Khuấy trộn
Để phản ứng diễn ra hoàn toàn và tiết kiệm hóa chất, quá trình khuấy trộn phải
đảm bảo tạo sự xáo trộn đều và phân tán nhanh hóa chất trong bể. Để khuấy trộn hóa chất
vào bể, các dạng thiết bị trộn thường được sử dụng là khuấy trộn thủy lực (dạng tĩnh),
khuấy trộn bằng khí nén và khuấy trộn cơ học.
Khuấy trộn thủy lực: lợi dụng sự xáo trộn của dòng chảy khi bị thay đổi hướng
chuyển động được sử dụng để khuấy nhanh hoặc hoặc nhanh kết hợp tạo bông. Loại thiết
bị này do không có phần di động nên dễ vận hành và bảo dưỡng; vận tốc dòng nước trong
thiết bị tùy thuộc vào loại thiết bị. Đối với thiết bị vách ngăn (a) khoảng cách giữa các
vách ngăn bằng 2 lần chiều rộng bể, vận tốc nước trong bể khoảng 0,6 m/s, tổn thất trong
bể từ 0,3 – 0,45m và thời gian lưu nước trong bể từ 3- 5 phút, . Đối với thiết bị trộn
buồng ngăn tạo bông vận tốc dòng nước trong khoảng từ 0,2 – 0,3m/s; Thiết bị trộn vành
chắn (c) đường kính lỗ cần chọn để tổn thất cục bộ 0,3 – 0,4m. Trong thiết bị trộn đường
ống vận tốc nước khoảng 1,2 – 1,5 m/s, chiều dài đoạn ống cần thiết để tổn thất áp lực
khoảng 0,3 – 0,4m. Một số dạng thiết bị khuấy trộn thủy lực được trình bày trong hình
3.1.
52
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
a. Khuấy trộn bằng vách ngăn b. Buồng ngăn tạo bông
c. Thiết bị trộn vành chắn d. Thiết bị trộn ống zích zắc
Hình 3.1 Khuấy trộn bằng thủy lực.
Khuấy trộn bằng khí nén: dùng bọt không khí nén được phân phối bằng dàn ống
khoan lỗ hoặc bộ khuếch tán nhúng chìm để gây sự xáo trộn hỗn hợp trong bể. Đối
với ống khoan lỗ, lỗ phải quay xuống dưới để tránh tắc nghẽn do bùn hay cặn lắng
đọng. Vận tốc dòng khí qua lỗ khoảng 15 – 20 m/s và vận tốc khí trong ống dẫn từ 10
P: năng lượng tiêu tốn (kW);
v
a
: thể tích không khí ở áp suất khí quyển (m
3
/s);
p
a
: áp suất khí quyển;
p
c
: áp suất khí tại điểm xả (KN/m
2
).
Khi đó Gradient vận tốc được xác định
53
Chất keo tụ
Nước thải
Hỗn hợp
nước thải –
Chất keo tụ
Nước thải
và chất keo
tụ
Dẫn vào
bể lắng
Cửa tràn Vách ngăn
Chất keo tụ
Nước thải
Nước thải
).
Khuấy cơ học: dùng năng lượng của cánh khuấy để tạo sự xáo trộn của dòng chảy. Các
cánh khuấy thường sử dụng như cánh quạt, chong chóng, turbine,…. Thời gian tiếp xúc
trong các bể khuấy trộn hóa chất thường từ từ 30 – 60 giây đến 2 phút; Năng lượng
khuấy trộn cần đảm bảo gradient vận tốc G trong khoảng 100 – 1000 s
-1
. Năng lượng cần
thiết để chuyển động cánh khuấy được xác định theo công thức sau
2
3
vAC
P
d
ρ
=
P = năng lượng, N/s;
A = diện tích cánh khuấy, m
2
;
ρ = khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m
3
;
v = vận tốc cánh khuấy đối với chất lỏng, m/s;
C
d
= hệ số ma sát.
Gradient vận tốc sinh ra do đưa năng lượng từ bên ngoài vào thể tích nước V được
xác định như công thức trên.
Thời gian khuấy trộn là nhân tố quan trọng, thường thời gian khuấy trộn cần đảm bảo G.t
3.1.4 Năng lượng khuấy trộn
Máy khuấy dạng chân vịt và dạng Turbine (Propeller and Turbine Mixers)
Tùy thuộc vào chế độ chảy của dòng mà năng lượng khuấy trộn sẽ khác nhau, cụ
thể
+ Khi dòng chảy tầng (N
R
< 10) : P = k.µ.n
2
.D
3
;
+ Khi dòng chảy rối (N
R
> 10.000) : P = k.µ.n
3
.D
5
.
Với
N
R
= số Reynolds;
P = năng lượng cần thiết (W);
k =hằng số phụ thuộc vào cánh khuấy và chế độ chảy;
µ = độ nhớt động học (N.s/m
2
);
ρ = khối lượng riêng của chất lỏng (Kg/m
3
);
vAC
F
ρ
=
Trong đó:
F
D
: lực cản (N);
C
D
: hệ số lực cản của cánh khuấy;
A: diện tích của cánh khuấy (m
2
);
v
p
: vận tốc tương đối của cánh khuấy trong chất lỏng (m/s), ~ 0.7 – 0.8 vận tốc đầu
cánh;
P: năng lượng cần thiết (W).
Máy khuấy dạng tĩnh (Static Mixer)
P = ρ.Q.h
P = năng lượng tiêu tốn (kW);
Ρ = khối lượng riêng của nước (kg/m
3
);
h = tổn thất áp lực khi chất lỏng chuyển động qua thiết bị (m);
Q = lưu lượng (m
3
/s).
55
rắn)
Ghi chú
BOD SS BO
D
SS pH Phèn
nhôm
Silicate Khá
c
Carton - 350-
450
15-
60
3 5 1,7 2-4 Tuyển nổi 38,7
m
3
/m
2
.ngày
Carton - 140-
420
10-
40
1 10 0,3 2
Carton - 240-
600
35-
85
2,0 2-5
Carton 127 593 68 44 6,7 10-12 10 1,3 1,76
Vệ sinh 140 720 36 10-
Vôi 1500 92 38
2 Fe
2
(SO
4
)
3
275 3,5 – 4,5 1470 91 480 53
Phèn nhôm 250 4,0-5,5 93 48
Vôi 1000 85 45
3 Fe
2
(SO
4
)
3
250 4,5 – 5,5 940 85 468 53
Phèn nhôm 250 5,0-6,5 91 44
Vôi 1000 85 40
Nguồn: W. Wesley Eckenfelder, Jr. 2000
Nước thải chứa dầu ở dạng nhũ tương. Nước thải chứa dầu ở dạng nhũ tương có
thể xử lý bằng việc sử dụng quá trình keo tụ. Các hạt dầu có kích thước khỏang 10
-5
cm và
ổn định nhờ quá trình hấp phụ các ion. Các chất nhũ hóa thường dùng là xà phòng hoặc
các anion họat tính. Có thể phá nhũ bằng quá trình “muối hóa” bằng cách cho vào nước
thải các muối chẳng hạn muối CaCl
2
. Cũng có thể phá nhũ bằng cách hạ pH xuống thấp.
Nước thải từ quá trình sản xuất bạc đạn có chứa xà phòng và chất tẩy rửa, dầu cắt, dầu
SO
4
, 1500 mg/L vôi và 300 mg/L phèn nhôm.
Nước thải giặt chứa chất tẩy rửa tổng hợp có thể keo tụ bằng chất họat động bề mặt
cationic để trung hòa các chất họat động bề mặt anion và sau đó thêm muối canxi để kết
tủa phosphat, vận hành ở pH = 8.5 có thể lọai gần như hòan tòan lượng phostphat có
trong nước thải. Kết quả xử lý nước giặt được trình bày trong bảng 3.9.
Bảng 3.9. Kết quả xử lý nước thải từ quá trình giặt
Thông số Đơn vị Nước thải trước xử lý Nước thải sau xử lý
pH 7.1 7.7
ABS mg/L 63 0,1
BOD mg/L 243 90
COD mg/L 512 171
PO
4
mg/L 267 150
CaCl
2
mg/L 480
Chất họat động bề mặt
cationic
mg/L 88
Nguồn: W. Wesley Eckenfelder, Jr. 2000
Nước thải từ quá trình giặt cũng có thể sử dụng phèn sắt (Fe
2
(SO
4
0
3
) để xử lý. Với pH =
Hiệu quả
XL (%)
1 Fe
2
(SO
4
)
3
250 7,5 – 11,0 0.25 90 584 33
Phèn nhôm 300 5-9 86 39
Vôi 1200 68 30
2 Fe
2
(SO
4
)
3
500 3-4, 9-11 0.74 89 840 49
Phèn nhôm 500 8,5-10 89 40
Vôi 2000 65 40
3 Fe
2
(SO
4
)
3
250 9,5 – 11 1.84 95 825 38
Phèn nhôm 250 6-9 95 31
Vôi 600 78 50
4 Fe
Tăng thể tích của cặn: làm cho cặn có kích thước lớn hơn bằng cách sử dụng kết
hợp quá trình keo tụ tạo bông
Làm thay đổi đặc tính bề mặt của cặn: bằng cách cho thêm các chất hoạt động bề mặt
Quá trình tuyển nổi bao gồm nhiều loại: tự nhiên (dựa vào khả năng nổi của vật),
chân không, cơ học, áp lực. trong khuôn khổ của giáo trình này hai phương pháp tuyển
nổi được đề cập là tuyển nổi tự nhiên và tuyển nổi khí (gồm áp lực và khuếch tán).
3.2.1 Thiết bị tách dầu
Thiết bị tách dầu được sử dụng khi hàm lượng dầu trong nước thải lớn hơn hoặc
bằng 100 mg/L. Chiều dài làm việc của bể tách dầu được xác định theo công thức sau
h
V
v
aL
s
*
=
a: hệ số tính đến độ chảy rối của bể, phụ thuộc vào v
*
/V
s
+ Khi v
*
/V
s
= 15 thì a = 1.65;
+ Khi v
*
/V
s
= 10 thì a = 1.5;
θ
cos
Để tuyển nổi được thì Ө phải ≥ 0; trong trường hợp Ө = 0 khi đó cặn bị dính ướt
hoàn toàn và không thể tuyển nổi. Để tuyển nổi cần thỏa mãn điều kiện σ
L-K
> σ
R-K
– σ
R-L
Theo Barbey, kích thước hạt bé nhất có thể tuyển nổi được xác định theo phương
trình sau
( )
θσρ
λ
cos1
3
2
2
2
min
−
=
−KL
v
d
v = vận tốc tương đối giữa cặn và khí;
θ = góc tiếp xúc
λ = hệ số sức căng bề mặt;
ρ = khối lượng riêng của cặn.
Vấn đề khí hòa tan
90 15.3 14.9 0.974
100 15.9 15.0 0.949
Nguồn: W.Wesley Eckenfelder Jr.2000.
Lượng không khí có thể thoát ra khỏi dung dịch khi áp suất giảm đến áp suất khí
quyển (1 atm) theo lý thuyết có thể xác định theo công thức
a
a
a
S
P
P
SS −=
+ S: lượng khí thoát ra khỏi nước (cm
3
/L);
+ S
a
: lượng khí bão hòa trong nước ở áp suất khí quyển (cm
3
/L);
+ P: áp suất nén tuyệt đối (atm);
+ P
a
: áp suất khí quyển (atm).
Do lượng khí thoát ra phụ thuộc vào điều kiện khuấy trộn tại điểm giảm áp và mức
độ bảo hòa trong bể áp lực. Tuy nhiên, do khả năng hòa tan của khí trong nước phụ thuộc
vào thành phần các tạp chất trong nước vì vậy mức độ bão hòa trong nước phụ thuộc vào
độ sạch của nước. Trong thực tế lượng nước thoát ra có thể xác định theo công thức sau
Cách bố trí đường khí – nước vào và khí – nước ra bể áp lực
Hình 3.2 Các dạng bố trí đường khí và nước trong hệ tuyển nổi khí hòa tan
Các dạng thiết bị tuyển nổi áp lực
Hiện nay tuyển nổi áp lực được thực hiện theo hai sơ đồ sau
63
1
3
2
5
4
1
2
6
1
2
3
1
2
4
1
2
3
5
Đưa nước từ dưới lên
Đưa nước từ trên xuống
1
2
3
4
Đưa nước vào dạng phun tia
thải
Hóa chất + nước thải
Hóa chất + nước thải
Bể tuyển nổi
Bể tuyển nổi
Bồn khuếch tán
Bồn khuếch tán
Tuần hoàn nước
Tuần hoàn nước
sau xử lý 10-50%
sau xử lý 10-50%
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
+ Sa: độ hòa tan của không khí (mL/L);
+ f: phần khí hòa tan ở áp suất P, thường f = 0.5 – 0.8;
+ C
s
: nồng độ chất rắn (mg/L);
Trong trường hợp tuần hoàn
( )
QC
RfPS
S
A
S
a
.
13,1 −
=
R: dòng tuần hoàn (m
them vào
Chế biến
dầu khí
0.02 2.0 – 2.5
1 phần –
hoàn
toàn
200 –
1000 dầu
Tất cả
dầu tự do
không bị
nhũ
tương
hóa
Không
0.02 1.0 – 1.5
Tuần
hoàn
200 –
1000 dầu
90% dầu,
90% SS
Aluminum
polymer
Chế biến
thịt
(đóng
gói)
0.02 2.5 2.0
3000 SS
90% bột
giấy
Aluminum
polymer,
vôi
Chế biến
gia cầm
0.02 1.5 – 2.0
1 phần –
tuần
hoàn
30 –
1000 mỡ
90% mỡ
Không
200 –
2500 SS
40 –
60% SS
0.02 1.0 – 1.5
Tuần
hoàn
30 –
1000 mỡ
90% mỡ
Aluminum
polymer,
vôi
200 –
hoàn
25 – 125
SS
90% SS
Aluminum
ferric
sulfate
polymer
Hệ thống tuyển nổi DAF – không tuần hoàn: trong hệ thống này, toàn bộ nước
và khí tiếp xúc với nhau trong bể tạo áp. Sau đó hỗn hợp nước-khí được đưa đến bể tuyển
nổi, tại đây quá trình giảm áp được thực hiện để hình thành bọt khí; các bọt khí khi đi lên
sẽ liên kết với chất rắn lơ lửng qua đó tách cặn lơ lửng có trong nước. Hệ thống thường
được áp dụng ở mức áp suất trung bình. Qúa trình này có thể bị ảnh hưởng bởi quá trình
xáo trộn trong bể.
Hệ thống tuyển nổi DAF – Có tuần hoàn: trong hệ thống DAF có tuần hoàn, thường 10
– 25% nước sau xử lý được tuần hoàn lại bình tạo áp; do sử dụng nước là nước là nước
sạch (đã qua tách cặn) nên quá trình này hạn chế được việc nghẹt bộ phân phối khí; trong
quy trình này, quá trình tạo cặn – bọt khí nổi không bị ảnh hưởng, tuy nhiên kích thước
bể tuyển nổi sẽ lớn hơn vì lúc này lưu lượng vào Q = Q
(nước thải)
+ Q
(tuần hoàn)
. Diện tích bể
tuyển nổi thường được tính dựa trên: Cường độ khí (giá trị giao động trong khoảng 6 –
10 m
3
/m
2
.h); Thời gian tuyển nổi (thông thường là 20 phút); Đường kính bể tuyển nổi (D)
và vận tốc nước trong bể tuyển nổi (thường u = 10.8 m/h trường hợp thời gian lưu của
/h)
Phần tuyển nổi Phần lắng
D (m) H (m) D
TN-L
(m) H
TN-L
(m)
150 3,0 1,5 6 3
300 4,5 1,5 9 3
600 6,0 1,5 12 3
900 7,5 1,5 15 3
Nguồn: Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga. 2006.
3.2.3 Tuyển Nổi Bằng Sục Khí Qua Tấm Sứ - Khuyếch Tán Bằng Vật Liệu Xốp
Phương pháp tuyển nổi này so với các phương pháp khác là cấu tạo đơn giản, chi
phí năng lượng thấp; nhược điểm là các lỗ mao quản hay bị bẩn và tắc, khó chọn vật liệu
có kích thước mao quản giống nhau để đảm bảo tạo thành các bọt khí có kích thước đồng
đều.
66
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
Trong tuyển nổi bằng sục khí qua tấm sứ hay đầu khuếch tán bằng vật liệu xốp sẽ
tạo ra bọt khí nhỏ và kích thước của nó được xác định theo công thức
R = 6.(r
2
.σ)
1/2
R = đường kính bọt khí;
r = đường kính lỗ
σ = sức căng bề mặt của nước;
Áp suất cần thiết để thắng sức căng bề mặt của nước được xác định theo công thức
Laplace
− Nồng độ của chất bị hấp phụ;
− Vận tốc tương đối giữa hai pha;
− Cơ chế hình thành liên kết: hóa học hoặc lý học.
3.3.1 Hệ thống thiết bị hấp phụ
Để hấp phụ các thành phần ô nhiễm có trong nước thải, hai dạng thiết bị thường
được sử dụng: khuấy trộn chất hấp phụ với nước thải hay lọc nước thải qua lớp hấp phụ.
Khi áp dụng hấp phụ sử dụng thiết bị khuấy trộn, than hoạt tính có kích thước nhỏ
thường được sử dụng (≤ 0,1 mm).
Qúa trình hấp phụ có thể tiến hành một bậc hay nhiều bậc. Hấp phụ một bậc ở
trạng thái tĩnh được ứng dụng trong trường hợp khi chất hấp phụ có giá thành thấp hoặc
67
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
là chất thải sản xuất được tận dụng làm chất hấp phụ. Hấp phụ làm nhiều bậc có hiệu quả
hơn hấp phụ 1 bậc. Hình 3.4 mô tả sơ đồ một hệ thống hấp phụ nhiều bậc nối tiếp nhau.
Hình 3. 4. Sơ đồ hệ thống cấp chất hấp phụ nối tiếp.
Trong sơ đồ hình 3.4, các chu trình khuấy trộn – lắng tách được lặp đi lặp lại. Tại
bể khuấy trộn 1, một lượng chất hấp phụ cần thiết sẽ được cho vào để giảm nồng độ chất
ô nhiễm từ C
đ
xuống còn C
1
, sau đó hỗn hợp chất hấp phụ - nước được đưa qua thiết bị
tách (lắng hay lọc) để tách riêng nước thải và chất hấp phụ. Sau khi qua thiết bị tách,
nước thải tiếp tục được đưa qua thiết bị khuấy trộn 2, tại đây một lượng chất hấp phụ cần
thiết tiếp tục được cho vào để giảm nồng độ chất ô nhiễm từ C
1
xuống còn C
2
, và sau đó
hỗn hợp này tiếp tục được tách ra tại thiết bị tách 2. Qúa trình này được lặp đi lặp lại cho
Lượng chất hấp phụ tiêu tốn trong mỗi bậc:
Số bậc cần thiết:
Nhằm giảm lượng chất hấp phụ, hệ thống cấp chất hấp phụ ngược chiều được sử
dụng, tuy nhiên hệ thống này thường mắc và khó vận hành. Hình 3.5 trình bày sơ đồ một
hệ thống hấp phụ ngược chiều.
Hình 3.5. Sơ đồ hệ thống cấp chất hấp phụ ngược chiều.
Trong sơ đồ này, chất hấp phụ được cho vào một lần và được cho vào ở bể khuấy
trộn cuối cùng; sau khi được tách ra, chất hấp phụ được bơm vào bể khuấy trộn tiếp theo.
Chu trình khuấy trộn, tách và bơm tuần hoàn tái sử dụng được thực hiện cho đến khi đạt
được nồng độ mong muốn, và trong sơ đồ này, chất hấp phụ được cấp ngược chiều với
chiều nước thải.
Nồng độ chất bị hấp phụ trong nước thải sau bậc n:
Liều lượng CHP đưa vào bậc cuối cùng:
69
Chất hấp phụ
Nước thải
Chất hấp phụ đã qua sử dụng
1.Thùng khuấy trộn;
2.Bể lắng; 3.Thùng
tiếp nhận chất hấp
phụ; 4.Bơm
1
2
Chất hấp phụ
Chất hấp phụ
3
4
3
4
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
các chất ô nhiễm.
3.4 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION
Phương pháp trao đổi ion được dùng để tách các kim loại nh Zn, Cu, Cr, Ni, Pb,
Cd, V, Mn,…cũng như các hợp chất Arsen, Phospho, Cyanua, chất phóng xạ,…khỏi
nước và nước thải. Phương pháp này cho phép thu hồi những chất có giá trị và đạt mức
độ làm sạch cao. Đây còn là phương pháp được ứng dụng rộng rãi để tách muối trong xử
lý nước và nước thải.
Trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi với
ion cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau. Trao đổi ion cũng là một quá
trình hấp phụ, trong đó, các ion co trong dung dịch thay thế những ion của chất trao đổi
không hòa tan (còn gọi mạng trao đổi ion). Chất trao đổi ion dùng trong công nghiệp hầu
hết là những polymer không tan, được gọi là nhựa trao đổi ion. Mạng polymer chứa
những nhóm có khả năng kết hợp với các ion dương (chất trao đổi cation - cationit) hoặc
kết hợp với các ion âm (chất trao đổi anion - anionit). Chất trao đổi ion có khả năng trao
đổi với cả cation và anion được gọi là chất trao đổi lưỡng tính.
70
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
Các chất trao đổi ion có thể là chất vô cơ hoặc hữu cơ, có nguồn gốc tự nhiên hay
tổng hợp nhân tạo. Thuộc nhóm các chất trao đổi ion vô cơ tự nhiên gồm các zeolite, kim
loại khoáng chất, đất sét, fenspat,…Các chất có tính trao đổi cation là chất chứa nhôm
silicate loại: Na
2
O.Al
2
O
3
.nSiO
2
.mH
2
bằng phương pháp chuẩn độ với acid (đối với cột trao đổi anion ở dạng OH
-
) hoặc với ba
zơ (đối với cột trao đổi cation ở dạng H
+
). Dung lượng trao đổi cũng được xác định bằng
cách đường cong ngưỡng hấp thụ.
3.4.1 Nguyên lý trao đổi ion
Khi chất trao đổi ion gặp chất điện giải sẽ gây ra hai tác dụng đó là tác dụng trao
đổi ion và tác dụng nén ép lớp khuếch tán; khi nồng độ muối trong dung dịch tăng lên sẽ
làm cho lớp khuếch tán bị nén ép; khi trong nước thải có các ion ngược dấu với lớp
khuếch tán sẽ làm lớp khuếch tán chuyển thành lớp hấp phụ và khi đó phạm vi hoạt động
của lớp khuếch tán trở nên nhỏ.
71
SO
3
2-
SO
3
2-
SO
3
2-
SO
3
2-
SO
3
2-
SO
đổi chậm; nhưng nếu hạt nhỏ sẽ gây tổn thất áp lực lớn; Trường hợp hỗn hợp hạt có kích
thước không đều sẽ gây hiện tượng bít tắc khe lọc làm trở lực tăng và trong quá trình rửa
các hạt nhỏ thường bị trôi ra ngoài.
Tỷ trọng:
Tỷ trọng khô thật =
Khối lượng khô thực
= 1.6 g/ml
Thể tích thực của hạt nhựa
Tỷ trọng ẩm thật =
Khối lượng nhựa ẩm
= 1.04 – 1.30 g/ml
Thể tích của hạt nhựa ẩm
Tỷ trọng ẩm biểu kiến =
Khối lượng nhựa ẩm
= 0.60 – 0.85 g/ml
Thể tích đống của nhựa ẩm
Độ nở: hạt trao đổi ion có độ nở càng lớn khi có độ liên kết càng nhỏ, dễ điện ly,
dung lượng trao lớn. Ngoài ra hạt cũng có độ nở lớn khi độ hydrate của ion có khả năng
trao đổi càng lớn dẫn đến bán kính bán kính hydrate lớn. Độ nở của hạt trao đổi ion sẽ
giảm khi nồng độ chất điện giải lớn do làm áp suất thẩm thấu tăng dẫn đến lớp điện tích
kép bị co lại.
Tính chịu mài mòn: nhựa trao đổi ion thường được tổng hợp có tính chịu mài mòn
nhằm đảm bảo tổn thất nhỏ hơn 3 – 7 %/năm. Việc tổn thất hạt thường do quá trình nở,
ngót hạt dẫn đến vỡ hạt trong quá trình trao đổi hoàn nguyên;
Tính chịu nhiệt: hạt trao đổi ion có tính chịu nhiệt, tùy thuộc vào bản chất của hạt
mà nhiệt độ chịu được sẽ khác nhau. Thông thường hạt cationit chịu được nhiệt độ >
100
o
C; hạt anionit kiềm mạnh chịu được nhiệt độ khoảng 60
o
> Ca
2+
> Ni
2+
> Cu
2+
> Co
2+
> Zn
2+
> Mn
2+
>UO
2
2+
> Ag
+
> Cs
+
> K
+
> NH
4
+
> Na
+
> Li
+
72
Giáo trình: Kỹ thuật xử lý nước thải – Đại học Dân lập Lạc Hồng
> CO
3
2-
> CN
-
> NO
2
-
> Cl
-
> H
2
PO
4
-
, H
2
AsO
4
-
, HCO
3
->
OH
-
> CH
(Mg)CaR
2
+ 2Na
+
→ 2NaR + Ca
2+
(Mg
2+
)
Na
+
Nước ra
Na
+
Nước vào
Chất lượng nước sau xử lý có thể đạt Hardness = 1 mg/L;
Cần tăng thêm bình trao đổi;
Trở lực của nước trong vận hành lớn hơn;
Độ kiềm bicarbonate trong nước ở bất kỳ dạng nào đều
chuyển thành NaHCO
3
2NaHCO
3
→ Na
2
CO
3
+ CO
2
↑ + H
Nước vào
Fe
3+
Ca
2+
Na
+
+ H
+
Nước ra
Nước vào
Fe
3+
Ca
2+
Copyright: Tài liệu đại học ©